数字家园系统的技术研究与设计说明

数字家园系统的研究与设计

分析了国外主要信息家电产品以及家庭组网解决方案、模型的缺点与不足,有针对性地提出了一套低成本的数字家园系统(DHNS)解决方案,描述了本系统的总体构架、社会服务体系和QoS需求,设计了系统的核心技术平台——家居服务器,并对其原理、构架、软硬件模块组成以及通讯协议作了比较详尽的阐述。本系统可灵活地进行高、中、低各种不同的配置,最高配置可覆盖整个家庭和社会服务体系,最低可配置成一个单台的DVD播放机,具有较大的市场前景。指出了本系统存在的问题和进一步的研究目标。

数字家园是一个庞大的系统工程,涉及到计算机、通讯、控制、消费电子、住宅建设、金融业等及人类社会生活的方方面面。为了实现各种家用电气设备以及对社会生活的互通互联,一个统一、放开、透明、可靠的标准、协议、网络构架和低成本的实现是推动数字家园系统发展的关键。

自信息家电技术问世以来,其组网的标准和协议按主导企业技术背景差异划分,基本上有两大类,一是以计算机通信企业为主导的,二是以家用电器企业为主导的。

第一类的代表是开放业务网关OSG(Open Service Gateway),其基本目标是以PC为基础,建立包括其它非

PC(后PC)类黑色家电、白色家电在的通信,甚至于水、电、

气表等的全家庭网络体制,基本思想是以业务为主线建立体系。第二类很多,由主要的数字视音频产品制造商和部分通信计算机制造商组成,基本目标是建立非PC的家庭多媒体网络体系。工作的主线是设备间的互联性。其比较著名的有Havi、Jini、HomePNA、HomePnP、HomeRF、HomeAPI 等。各个标准的侧重点不同,目前谁是主流体制尚不明朗。

从国外发展情况来看,信息家电将是日后家电发展的一大方向,可以说是主方向[1]。但是,迄今过去多年了,信息家电依然难以投入实用,究其原因,除了纷繁的规和标准让人无以适从外,在具体的实现技术路线上也存在不足,其主要表现在如下五个方面:(1)在网络构架方面,目前的规和标准还只侧重于家庭部的网络互联,缺乏对社会服务体系的研究、规划与建立;(2)在技术上采用胖客户机、瘦服务器方案,导致技术过于复杂、成本过高,例如,按照目前的技术路线,即网络冰箱=电脑(PC)+冰箱,其代价相当高昂;(3)设备上网协调性差,部分信息产品自成体系,缺乏完整的系统支持及统一的技术规,协调性、互连性、共存性很差,家用电脑、冰箱、微波炉、洗衣机等设备的上网缺乏交换设备(Switcher),需要很多外网接口或者出口,无法同时使用;(4)人机协调性差,对目前的信息家电来说,要么只解决了人员上网的问题,要么只解决设备上网的问题,人机无法同时上网;(5)功能比较简单,难以适应各种不同的需求。例如,目前的机顶盒只有一些简单的上

网功能,难以满足人们对高品质数字生活的追求。

鉴于上述原因,本项目提出了一套以家居服务器为核心的新型数字化家园体系结构DHNS(Digital Home Network System),用以建立相对合理、完善的家庭部网络以及社会服务体系,以解决家庭人员和各种设备的本地和远程控制、监测、检测、协调上网,尤其是大幅度降低整体信息家电成本以及技术难度等问题,实现家居生活的数字化。

1 DHNS数字家园系统总体构架DHNS数字家园系统总体构架如图1所示。

图1 DHNS数字家园系统总体构

(1)采用基于智能代理技术的胖服务器、瘦客户机设计方案,以大幅度降低信息家电整体成本。

现有白色(功能性)信息家电(如网络冰箱、微波炉、洗衣

机等)的设计方案基本上是:电脑(PC)+家电,即在白色家电中嵌入一台PC,它们都拥有各自独立的高档CPU(如X86、PowerPC)、显示器、复杂的操作系统、网络调制器、硬盘等组件,因此技术复杂、成本不菲。采用本方案,可将这些信息家电的大部分功能迁移至家居服务器,形成胖服务器、瘦客户机体系。采用移动Agent技术,各种信息家电通过家居服务器的集中管理,对外统一连网、对协调工作,所有信息(包括程序代码、数据等)均存放在服务器中,浏览也可在家居服务器上完成。而这部分信息家电只需用简单、廉价的单片机进行自身管理以及与家居服务器通讯即可完成上网任务。因此,可完全卸除其复杂、昂贵的高档组件,从而达到大幅度降低成本的目的。

(2)采用多功能、模块化设计方案,以适应不同用户的需求,解决人员、设备的上网以及机顶盒功能简单等问题。

多功能设计主要体现在家居服务器的设计上,它主要由三大类服务模块组成,即娱乐服务模块、网关服务器模块、通讯与监控服务模块等。各个模块由不同的软硬件组件组成,即插即用、灵活配置,可满足不同层次消费需求。

①娱乐服务模块

该模块由在线服务模块和独立服务模块组成。在线服务模块可实现网络电影、电视、广播等音视频流媒体的实时播放和录制以及定时录制;独立服务模块指在缺乏社会服务体

系服务(即无外网联通)的状态下可独立播放DVD、VCD碟片、播放下载的DVD、VCD、DVB、DAB、MP3、流媒体以及其它文件。

②网关服务器模块

该模块是数字家园的基本服务模块,对可驳接家庭网络,对外作为网关使用,连接社会服务体系,支持如下服务:网络连接、防火墙、数据存储、家用电器的智能主体代理、文件管理、Internet等,解决设备及人员上网问题。

③通讯与监控服务模块

该模块主要支持以下服务:监控、来电显示、录音、IP、传真;家庭监控:防盗、火灾、煤气等灾害的监测和报警,水、电、气数据的检测,灯光、窗帘、电饭锅、门窗等家庭低端设备的本地和远程控制等。

(3)采用简单的人性化操作界面设计方案,以实现“一开就用、一学就会”的目标,解决大众使用难题。

用可编程蓝牙掌上电脑为技术平台取代服务器键盘,将其界面定制成简单、易学、易用的形式,它通过与服务器的无线通讯,即可实现遥控服务器的目的,界面可由用户独立定制,也可从远程服务中心下载定制的PDA遥控新菜单。

(4)建立完善的社会服务体系(如图1所示)。

DHNS构架的数字家园网络系统的抽象特征是:以基于智能代理技术的胖(fat)服务器为核心技术平台,支持如下服

务:(1)完善的社会服务体系;(2)高质量、多功能语音通

讯;(3)Internet冲浪;(4)音视频娱乐;(5)传统数据网络;(6)网络游戏;(7)安全监控与报警、各种数据的监测与检测等;(8)各种家庭电气设备的本地、远程控制以及自动控制。它与普通PC网络最根本的区别就是:一开就用、一学就会,而PC 难学难用。

支持上述业务或者部分业务的家庭网络系统均可定义为DHNS构架信息家居系统。

2 家居服务器的设计与研制

家居服务器作为数字家园系统的核心技术平台,对于该构架的实现起着至关重要的作用。家居服务器主要由软件和硬件部分组成。

2.1 硬件研制

(1) 硬件模块组成

家居服务器硬件总体结构如图2所示,主要由5大功能模块共12个子模块组成,即广域网接口模块(Modem、ADSL Modem、Cable Modem、以太网适配器)、中央处理系统、网数字总线接口模块(高、中、低速通讯总线)、模拟音视频模块、外部设备模块(包括DVD驱动器、硬盘、存、RS232、RGB接口等)、遥控模块(专用蓝牙遥控收发器模块、蓝牙掌上遥控器)等组成。

(2) 硬件模块基本描述